太阳能恒温沼气池在农村户式建筑中的应用与效益分析
2016-11-30孙朝阳张哂昭张毅鹏
◎孙朝阳张哂昭张毅鹏
（1.三门峡职业技术学院建筑工程学院；2.三门峡黄河明珠（集团）有限公司，河南三门峡472000）
太阳能恒温沼气池在农村户式建筑中的应用与效益分析
◎孙朝阳1张哂昭2张毅鹏1
（1.三门峡职业技术学院建筑工程学院；2.三门峡黄河明珠（集团）有限公司，河南三门峡472000）
为满足新型农村农民燃气、热水需求，利用可再生能源构建集太阳能热水器、太阳能恒温沼气池为一体的供能系统来解决此问题。以中原地区三门峡市某农村为例，研究了该供能系统的的经济性。以系统使用寿命20年为限，该农村太阳能恒温沼气池的益本比＞1，净现值＞0，内部收益率＞投资机会成本，理论上证明该系统在经济性上是可行的。
太阳能恒温沼气池；太阳能；沼气；经济分析
随着我国农村城镇化步伐的加快，农村用能需求不断增加，农村趋城市化用能特点日趋明显，与城市用能需求基本一样，生活用电、烧水做饭、取暖或制冷是农村的三种主要用能方式。为解决农村用能需求，国内外很多学者进行了相关研究。李金平[1-4]等研究了太阳热能与生物质能互补的高效规模供热技术，在西北农村开展太阳能恒温沼气池的推广建设与应用，产生了巨大的社会经济效益。孙静[5]等人做了严寒地区利用太阳能加热制取沼气的实验研究，表明在北方地区利用太阳能加热制取沼气是可行的。F.Sahnounea[6]研究太阳能与常规能源之间的经济比较。
国内外关于太阳能与生物质能互补的供热系统已证明太阳能是一种有效的、环境友好的解决农村能源问题的最佳方式。为此本文试图从技术和经济两方面来探讨太阳能恒温沼气池在农村户式建筑中的应用前景。
1 太阳能恒温沼气池
1.1 工作原理
太阳能恒温沼气池的工作原理：太阳集热器收集的太阳热能，以水为热媒，通过布置在软体沼气池周围的铝塑管来加热料液。蓄热水箱和沼气池中安置有温度传感器，通过把温度信号传递给自主研发的自动控制装置来控制循环水泵的启停，从而控制发酵温度恒温。
为了实现全年连续稳定产气，兰州理工大学研发了性能稳定的模块化太阳能恒温沼气池，利用太阳能热水器收集的太阳热能维持沼气池恒温，为生物厌氧发酵提供适宜稳定的工作环境[7]。图1所示是研制的新一代地上式模块化太阳能恒温沼气池，由30支DN58mm1800mm真空集热管太阳能热水器、3m3软体沼气发酵袋、3m3储气袋以及由彩钢板制成的围护结构等组成，发酵袋和储气袋均由红泥塑料制成。冬季实验证明，在环境温度接近-20℃的极端条件下，太阳能恒温沼气池仍能连续、稳定的生产沼气，池内温度维持在26～27℃，稳定运行时日产沼气1.5m3以上[8]。
1.2 太阳能恒温沼气池建造的关键技术问题
1.2.1 太阳能恒温沼气池的低成本标准化建造技术研究
价格是制约太阳能恒温沼气池大面积推广的关键因素，这就需要在克服传统沼气生产不稳定、冬季不产气和出料困难的技术问题后，在满足用户要求的基础上降低建造成本，否则难以在农村进行产业化推广。
1.2.2 太阳能恒温沼气池混合原料进料技术规范研究
随着农民生活水平的提高和农村生活环境的改善，以使用人畜粪便作为生物厌氧发酵原料的传统农村沼气池已不能适应农村社会发展的要求。然而农村的秸秆、菜叶、有机生活垃圾等生物原料十分丰富，因此有必要研究这些生物质原料混合后的产气性能，以确定太阳能恒温沼气池对这些混合原料的适应性。
1.2.3 太阳能恒温沼气池的标准化建造模式
由于不同地区人们生活习惯、房屋构造等因素的影响，对太阳能恒温沼气池的标准化建造方案提出了巨大的挑战。为了保证农户的用能需求和使用方便要求以及太阳能恒温沼气池的产能最大化，我们需要对太阳能恒温沼气池的标准化建造模式进行研究。
图1 太阳能恒温沼气池原理
2 效益分析评价
2.1 经济效益分析
2.1.1 投入效益
投入的生产费用包括设备成本费、原料费、维修管理费、运行费等。
2.1.2 产出效益
沼气的价值、供暖收益和种植收入。
2.1.3 计算方法
（1）净现值NPV（Net Present Value）
式中：
i—折现率；
CI—现金流入量；
CO—现金流出量。
如果净现值大于零，则方案可行。
（2）益本比B/C(Benefit-CostRatio)
式中：
PVB—效益的现值；
PVC—成本现值。
如果效益成本比大于1，则方案可行。
（3）投资回收期T
（4）内部收益率FIRR(Financial Internal Ratio of return)
式中：
i1——试算用的略低折现率（当NPV1为接近于零的正值时的折现率）；
i2——试算用的略高折现率（当NPV2为接近于零的负值时的折现率）；
NPV1——在折现率为i1的净现值；
NPV2——在折现率为i2的净现值。
如果内部收益率超过投资机会成本，则在该项目上的投资比投资其他的替代项目使用资金更好，项目可行。
2.2 社会效益评价
农村户式建筑采用太阳能恒温沼气池利用日常生活、生产中的废弃物产生沼气，使用方便，无污染，残余物可用来为农田施肥。沼气既替代了传统的生活燃料，又减少了CO2气体的排放，对农村居住环境的改善起到了很好的作用。同时使用太阳能热水器供暖，减少了有害气体对室内环境及人体健康的危害。高效清洁能源的使用，使农户从传统的生活方式向健康、文明、卫生的生活方式转变，有利于我国社会主义新农村的建设。
3 工程案例
以三门峡市陕县张村某农户为例，使用混合原料全年稳定供能满足农民生活热水、生活燃气需求。该户建筑设计要求为：每天生产沼气不少于1m3,40℃以上生活热水180L。系统整体成本降低到农民可接受程度，即每套价格不高于6000元。
3.1 系统供能稳定性分析
根据用户需求，我们可以采用上述的太阳能恒温沼气池系统来解决用户的热水和燃气需求。如图2所示，由于沼气池采用了较好的保温措施，在利用太阳能恒定控制沼气池池内温度的同时，也完全克服外界对沼气池的影响造成的温度波动，从而实现沼气池的全年连续稳定生产。
3.2 系统经济效益分析
3.2.1 投入的生产费用
投入的生产费用主要包括太阳能集热器、沼气罐、配套装置以及每年管理及运行费，具体见表1所示。
图2 太阳能恒温沼气生产系统原理
3.2.2 产出效益
产出效益主要包括沼气收益、热水收益、沼肥收益等，具体见表2所示。
表1 投入的生产费用
表2 收益价值
当系统运行稳定时每天产气1.5m3,燃煤炉的效率为60%，沼气灶的热效率为75%，沼气的热值取平均值22.935MJ/m3，标准煤热值29300kJ∕kg,标准煤价为1.8元∕kg。
则沼气的价值为1.76元∕m3。年收益=1.76×1.5×365=964元生活热水日均耗热量为
式中，QW：生活热水平均耗热量，W；m：用水计算单位数，3人；qr热水用水定额，40L/(人·天）；CW：水的比热容，取4187J/（kg·℃）；ρw：热水密度；tr:设计热水温度，60℃；tf:设计冷水温度，年平均10℃。经计算得，生活热水日平均耗热量Qw=24.70MJ/d。
热水年收益=24700÷29300×1.8×36.5=554元
3.3.3 计算方法
根据上述计算及经济学相关公式，得表3经济效益分析计算表，由该表计算得经济性指标如表4所示（设系统投资机会成本为10%；系统使用寿命为20年）。由表4可知，该农村太阳能恒温沼气池的益本比〉1，净现值〉0，内部收益率〉投资机会成本，理论上证明该系统在经济性上是可行的。
4 结论
4.1 太阳能恒温沼气池供能系统日产沼气1.5m3，平均日产不低于40℃以上生活热水180L，可以满足一户4-5人沼气与热水需求；
4.2 太阳能恒温沼气池系统使用寿命可达20年以上，经济效益好，性价比高；
4.3 太阳能恒温沼气池系统可广泛应用于农村、村镇和小型养殖户等，对改善农村人居环境和生态环境，推进农村城镇化步伐，实现节能减排，加快社会主义新农村建设具有重大意义。
表3 户用太阳能恒温沼气池经济效益分析计算表
表4 经济性指标
[1]李金平，马涛，王建森，等.表面活性剂对水合物生成过程的定量影响[J].工程热物理学报，2010，31(5)：793-796. [2]李金平,马思聪,刁荣丹，等.新型农村绿色建筑的构建与能耗分析[J].中国沼气，2012,30(6):28-32.
[3]李金平,柏建华,李珍.不同恒温条件厌氧发酵的沼气成分研究[J].中国沼气,2010,28(6):20-23.
[4]李金平,冷小超,马思聪.基于可再生能源的农村绿色建筑的能量分析[J].兰州理工大学学报,2014,40(1):50-53.
[5]孙静，郑茂会，吴飞.严寒地区利用太阳能加热制沼气的实验研究[J].可再生能源,2008,26(1):46-49.
[6]F.Sahnoune,M.Madani,M.Zelmat,M.Belhamel.Comparative study between solar and conventional heating-Economic study and environmental impact[J].Energy Procedia,2014，50：841-852.
[7]柏建华.太阳能加热的恒温沼气池产气性能实验研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[8]马思聪.与新型农村绿色建筑一体化的供能系统研究[D].兰州：兰州理工大学，2014.
（责任编辑 卞建宁）
TK519
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1671-9123（2016）02-0136-05
2016-02-25
孙朝阳（1980-），男，河南新安人，三门峡职业技术学院建筑工程学院副教授，主要从事建筑节能与可再生能源利用研究。
